Башня Теслы. Что происходит в небоскребе и рядом с ним, когда ударяет молния?
Когда в сентябре на башню Лахта Центра «напали» молнии, наш главный инженер Сергей Никифоров всех успокоил, сообщив, что у башни «классическая система молниезащиты» и бояться нечего. Что это за «классическая»? На ум приходит что-то древнегреческое… А почему бы и нет? Ведь используем мы по сей день такими результатами древней мысли, как колесо, замок, календарь или бумага. Может и молниезащита в башне — хорошо забытое старое? Тогда — может ли столь старое помочь столь новому?
Фото ch0col8te
Разберемся!
Ехал грека через реку
В интернете ходит байка об античных мореплавателях.
Фото триремы отсюда
Якобы, уже тогда греческие моряки и правда умели отвести гнев Громовержца хитроумным способом. На мачту привязывали вертикально меч, к нему — трос, концы — в воду. Звучит сомнительно. Для того, чтобы придумать нечто похожее, нужно понимать природу молний. Греки понимали, что на Олимпе очередная семейная ссора, спасайся кто может, зачем меч?
И даже если путем каких-то случайностей, спустя тысячи потопленных Зевсом трирем, удалось выйти на понимание, что на кописы и ксифосы прекрасно ловятся молнии, то дальше цепочка прерывалась. Стальных тросов у древних греков не было, а те что были — льняные, обладают сравнительно высоким удельным сопротивлением. Используй такой в качестве проводника — и дальнейшее путешествие вплавь почти гарантировано. Если вовремя спрыгнуть с горящего судна, конечно. Если совсем везунчик, то доплывешь до берега и расскажешь, как неправильно грозить Зевсу мечом с мачты.
Картина «Одиссей и Навсикая», Роза Сальватор, Музей искусств Лос-Анжелеса, ок. 1655 г. Источник
Конечно, может быть там были не тросы, а цепь или поволока, или трос хорошо замалчивали перед тем, как пустить в дело. И вообще разбирались в свойствах электричества, проводников и диэлектриков… Но почему-то это очень полезное знание дальше кануло Лету, вынырнув века спустя. Зато точно нашлось другое средство, бороться с применением которого пришлось даже полиции.
Гром и молния! Три тысячи чертей!
В средние века научная парадигма перевернулась — Юпитер и Тор отправились в забвение, а в грозе увидели козни дьявола.
Разрушение католической церкви. Гравюра Матиаса Герунга, Германия, 1547 г. Источник
Климатическое оружие эпохи — колокольный звон, ведь, как известно: «первый удар колокола приводит нечистую силу в оцепенение, при втором ударе она в смятении бросается во все стороны, на третьем, если не успеет убежать, проваливается в преисподнюю».
Зловещий Мефистофель пролетает над Виттенбергом. Литография Эжена Делакруа, 1828 г
Сколько звонниц сгорело и мракоборцев пало в этой борьбе- веками не считали. Но более поздние записи — свидетельство смертельного риска:
«В Journal de Paris, за август месяц 1807 года, рассказывают о Трульском (близ Тулузы) прихожанине Пужибе, человеке более набожном, нежели опытном, который, услыхав раскаты грома, побежал на колокольню и изо всей силы принялся звонить для отвращения грозы. Трульский мэр, знавший физику лучше Пужибе, поспешил в церковь, чтобы прекратить звон;, но было уже поздно: несчастный Пужибе лежал на полу, пораженный громом. Редактор Journal de Paris говорит по этому случаю: «Вот новый пример опасности звонить в колокола во время грозы».
Место событий — Тулуза, фотограф Флориан Калас (Florian Calas)
Или вот, из записок Парижской академии наук:
«В 1718 году, 15 августа, поднялась сильная гроза в Нижней Бретани; гром, гремя сильными раскатами, ударил в двадцать четыре церкви, находившиеся между Ландернау и Сен-Поль-де-Леон; во всех этих церквах звонили, чтобы отдалить грозу; в которых же не звонили, те остались целы» (Этот и другие случаи можно найти в Edinburgh New Philosofical Journal, т. 20, собрано Робертом Джеймсоном)
В общем, по крайней мере, во Франции в колокола во время грозы запрещено звонить уже лет 30 — официальным распоряжением полиции. С другим средневековыми способами предотвратить погодные неприятности, например, показав в окно кое-какие части тела, думается, тоже покончено. Ведь наконец нашлись они — безопасные и работающие средства.
Классическая молниезащита как она есть
В 18 веке Бенджамин Франклин — тот самый, чье лицо многим хорошо знакомо по другому поводу, изобрел громоотвод. В 1752 году на крыше собственного дома он установил металлический стержень, соединенный металлической же проволокой с колодцем во дворе.
Схема молниезащиты Франклина. Рисунок Wdchk. Источник
Первую атаку небесного электричества этот громоотвод отразил 34 года спустя. Успешно. Возможно, идея подобной конструкции к тому моменту уже витала в наэлектризованном открытиями воздухе. В России молнии изучают Ломоносов и Рихман, а промышленник Акинфий Демидов строит Невьянскую башню высотой 57, 5 метров.
Источник
Башня затем попала на герб города, серебряную монету банка России 2007 года и на 5 уральских франков (в 91-м году было и такое) — за «знаковость» в истории и архитектуре: отклонение башни от вертикали — 1, 85 м.
Но на ней же — первый отечественный громоотвод, за 25 лет до Франклина. Конструкция похожа: металлический шпиль плюс заземление.
Источник
С тех пор человечество стало одерживать победы над молниями. Сначала — в суде. Буржуа Вилье, установивший новинку на крыше дома, отбивался от претензий соседей, которые считали громоотвод опасной затеей. На стороне защиты — Максимилиан Робеспьер, на стороне обвинения — Жан-Поль Марат — невероятное время! В ходе 4-летнего разбирательства суд встал на сторону Вилье и громоотводов. В Париже становятся популярны зонты и шляпки с молниезащитой.
В штатах и без подобных историй число громоотводов исчисляется сотнями. Схема Франклина — молниеприемник — токоотвод — заземление, сегодня считается классической. Ничего лучше нее пока что не придумано: эффективность хорошего классического громоотвода приближается к 99%. Вот ее-то и поминал наш главный инженер в этот грозовой сентябрь.
Почему громоотвод Франклина работает?
Франклин, как и Ломоносов, и Рихман, дошел до понимания электрической природы молний, а затем — до главного: можно «притянуть» электричество из атмосферы, поймав молнию на условный копис. Описанный опыт Франклина с запуском воздушного змея в грозовую тучу сегодня ставят под сомнение, но так или иначе, к верным выводам он пришел в добром здравии, в отличие от российского коллеги Рихмана — тот поплатился за науку жизнью. Свойства проводников тогда уже были открыты, остальное — вопрос инженерной смекалки и дело техники.
С 1860 по 1890 на 10-долларовой банкноте США была виньетка с экспериментом Франклина с воздушным змеем и лишь позже потрет изобретателя попал на 100-долларовые купюры
Принципиальный момент в классической системе молниезащиты — один. Обеспечить с помощью проводника непрерывную цепь от приема разряда до его заземления. Можно сказать, что такая система предугадывает и реализует намерение самой молнии. Электрическая небесная гостья хочет ровно того же — не пробиваться сквозь толщу воздушного изолятора, а привести разнополярные частицы к соединению с наименьшими усилиями. И люди ей предлагают путь наименьшего удельного сопротивления.
Фото Патрика Фишера. Источник
Как это выглядит в башне Лахта Центра
Итак, нам нужен токоприемник из металла. Металлический шпиль башни подходит как нельзя лучше — более 100 метров ввысь чистого проводника!
Но — не только он. Профиль рам стеклопакетов оболочки супертолла тоже металлический, металл — в элементах системы обслуживания фасадов.
Поймать молнию башня может по всей высоте. Это важно — удар не всегда приходится на самую высокую точку, да и грозовые облака могут оказаться ниже шпиля.
После приема разряд переходит на токоотводы. В шпиле их роль играют стальные колонны-трубы, ниже — пластины оцинкованной стали. Пластины опоясывают периметр этажа и соединяются в надежную цепь вертикальными магистральными полосами, расположенными в теле периметральных колонн и оболочке ядра.
Ток с внешней оболочки переходит через гибкий проводник (в красной оплетке) на металлическую пластину-токоотвод по периметру этажа
Вертикальная магистраль для отвода электрического разряда — сквозная, проходит сверху до низу башни без разделения перекрытиями и является основным молниепроводом для небоскреба. Она идет
до минусовых отметок, где контур молниезащиты башни соединяется с контуром заземления Многофункционального здания. Оттуда электроны спешат по арматурному каркасу свай МФЗ глубоко в землю и, наконец, встречаются с протонами, обнуляясь где-то в древних толщах докембрийских глин.
Может ли молния расплавить фасад или шпиль башни?
Конечно, температуры молний ужасают. «Лидер» — форвад разряда, доходит до температур в 30 тысяч градусов Цельсия! В пять раз горячее, чем ядро земли, в 30 раз жарче, чем лава, в миг уничтожившая Помпеи, Геркуланум и Стабии. И все же шпиль башни выдержал три атаки молний за сентябрь и остался в неизменном виде.
Фото Виктора Гусика
Все потому что молния пролетает путь от токоприемника до заземления на сверхзвуковых скоростях — более 1000 километров в секунду! Электрические частицы завершают свой маршрут так быстро, что металл просто не успевает нагреться и расплавиться. Если бы в цепочке были звенья с высоким сопротивлением или сам импульс длился много дольше, то исход, конечно, мог быть другой.
Клеточная защита
Внутри шпиля башни размещено оборудование навигации и связи, системы СОФ и другое, электрическое. Если в шпиль попадет молния, что с ним будет? И вообще с остальным электрооборудованием небоскреба?
Такая ситуация является штатной — во всех электрощитовых Лахта Центра имеется защита от импульсных перенапряжений. Что касается непосредственно размещенного в шпиле, тут добавляется любопытная деталь. Сам шпиль Лахта Центра по своему строению схож с клеткой Фарадея — ячеистая структура металлического фасада, замкнутый и заземленный контур дают эффект экранирования электрического импульса и защищают размещенное внутри шпиля оборудование.
Сетка фасадов шпиля башни Лахта Центра
Опасно ли находится в Лахта Центре во время удара молнии?
В сентябре этот вопрос взволновал многих, имеющих в планах посещение обзорной площадки в башне комплекса. Страшиться не стоит. В грозу безопасно находится абсолютно на любом обитаемом уровне супертолла. Обзорную площадку от главного токоприменика — шпиля, отделяет бетонное перекрытие на 88 уровне — его можно условно считать кровлей здания. Все потенциальные пути отклонения тока молнии от проложенной для него магистрали надежно перекрыты: стекло — само по себе диэлектрик, как и бетон, окутывающий сердечники колонн и формирующий тело ядра.
Металлические пластины-токопроводы в теле колонны обетонированы — мощный слой бетона выступает изолятором
Вообще, молнии бьют небоскребы довольно часто. Старомодный джентльмен среди сверхвысотной «молодежи», Empire State Building, получает свои ежегодные «лайтин страйки» в количестве от 12 до 100 и пока что ни один из его посетителей за уже почти вековую историю здания разу не пострадал. Как и посетитель любого другого небоскрёба.
Охотники за впечатлениями
Чаще всего удар молнии в небоскреб — световое представление для тех, кто наблюдает со стороны, обитатели же могут и не подозревать, что вокруг них — настоящее тесла-шоу. Именно это и случилось во время сентябрьских гроз с теми, кто в те яркие минуты трудился в башне Лахта Центра. Про грозы и молнии узнали из многочисленных фото, в ответ на просьбу поделиться впечатлениями — развели руками. Всю грозу проработали, ничего не посмотрели, обидно! В общем, в небоскребе в грозу не только безопасней, но иногда и куда скучнее — все самое интересное открывается со стороны.
Вот тут, например, фотограф Моххамед Азми рассказывает, как охотился два года за кадром, где молния ударяет в небоскреб — выжидая в непогоду на крышах близлежащих зданий.
Все ради этого кадра
А что можно увидеть с обзорной площадки небоскреба, оказавшись там в грозу? Кое-где конструктивные особенности позволяют наблюдать за кульминационными сценами небесной драмы. Например, такие строки можно увидеть в материале о достопримечательностях австралийского небоскреба Q1:
»…Помимо серфинга, тематических парков и полетов на воздушном шаре, посетители популярного Золотого побережья Австралии могут добавить еще одну достопримечательность в свой список острых ощущений: отправиться в пригород Surfers Paradise и наблюдать, как молния ударяет по ориентиру Q1 — в то время как уютно внутри него… Как утверждает один из источников, посетители любят лежать на полу во время грозы, чтобы посмотреть, как молния ударяет по впечатляющему 97,7-метровому шпилю Q1. Судя по этому невероятному образу, это, должно быть, чертовски интересный опыт, и уж точно не для слабонервных!»
Фото Ann VB
Тем, кто отправится наблюдать за грозой с обзорной Лахта Центра, бьющих в шпиль молний, увы, не видать — все будет происходить за верхним перекрытием. Но молнию, ударяющую ниже, застать вполне вероятно. Нужен лишь хороший прогноз и немного везения.
Башня притягивает молнии?
Сентябрьские грозы у башни Лахта Центра неплохо прогремели в соцстеях и СМИ. Настолько неплохо, что появились разного рода догадки о природе нетипичного явления.
Мойка 78
Во-первых, таких гроз на веку не видали. Во-вторых — молнии бьют в самую высокую точку, а башня Лахта Центра, как известно, самая высокая в Европе… Совпадение?
Разъяснения о том, что молнии возникают при определенных погодных условиях и никакой небоскреб не способен изменить климат, пришлось давать даже главному синоптику Санкт-Петербурга Александру Колесову. Мы бы в свою очередь были и рады, если бы Лахта Центр смог сделать каждое лето и осень в Петербурге такими же теплыми, как минувшие, но с сожалением приходится признавать правоту специалиста: поменять погоду ни башня в отдельности, ни даже комплекс в целом не могут.
Для совсем подозрительных даже есть небольшая историческая демонстрация. До того, как башня была завершена, роль молниеотводов выполняли башенные краны.
Несмотря на то, что эти машины были самой высокой точкой на строительном участке, не было ни одного случая попадания молнии в кран — лето в предыдущие годы не баловало.
В этом году аномально теплый сентябрь привел не один грозовой фронт. И хорошо, что башня была достроена — иначе молнии могли бы выбрать другую мишень, и неизвестно, что или кто бы стал ею. С другой стороны, целиком уповать на столь внушительный «громоотвод» не стоит — не редки случаи, когда громовержец целится не туда.
Когда небоскреб в грозу опасен
Вот впечатляющий кадр с грозой, сделанный совсем недалеко от башни. Кроме собственно молнии и небоскреба тут запечатлена и единственная, но потенциально очень опасная ситуация.
Есть подсчеты, согласно которым до половины пострадавших от ударов молнией прятались под высокими деревьями. Башня — не дерево, но во время грозы настоятельно необходимо укрыться в здании и абсолютно точно не выцеливать впечатляющие кадры из амфитеатра или с какого-нибудь газона рядом с небоскребом, когда площадка будет открыта, отмахиваясь познанием, что Лахта Центр в случае чего выступит громоотводом. Молнии передвигаются «отрезками» в несколько десятков метров и на любом из этих участков могут изменить направление. На этом же кадре видно, как основной удар приходится не в шпиль, а в землю или в залив за башней.
А на этом видео — как молния меняет направление на разных отрезках.
Когда-нибудь Марти отправится домой
Больше всего про молнии знают школьники, а меньше всего — ученые. Для первых — параграф в учебнике, для последних — настоящая терра инкогнита. В научном сообществе обсуждает темные, невидимые молнии — очень редкие и мощные, спрайты, джеты и эльфы — явления во время грозы в верхних слоях атмосферы и внутри грозового облака, положительные молнии — от земли в небо, шаровые молнии, их космическое происхождение…
Первое цветное изображение спрайта, снятое в околоземной атмосфере. Фотоисточник
Тайн очень много. С их разгадкой одна беда — поймать молниеносного изучаемого невероятно сложно. Никто не знает, где он ударит в следующий раз, а сама вспышка длиться миг. В этом году на МКС отправили специальный комплекс, который будет изучать световые явления в верхних слоях атмосферы. С нижними — по старинке. Нужно искать места, где вероятность застать молнии наиболее высока. Одним из таких мест в свое время был Empire State Building. Инженеры General Electric оборудовали лабораторию на 102 этаже башни — оттуда делали замедленную съемку вспышек, результаты использовались в проекте по изучению скачков напряжения в электросетях во время гроз. Вот такой вклад небоскребов в научное дело.
Фото — Museum of Innovation and Science Schenectady
Вообще, молнии могут быть очень полезны. Они могут отправить Марти домой и бесплатно зарядить лампочки.
Надеемся, когда-то с молниями будет установлен не только вооруженный нейтралитет, но и настоящая дружба. Тогда мы достанем аккумуляторы, поставим их на башне и станем еще более дружественны к экологии и энергоэффективны, чем сейчас. Да, кстати, нас можно поздравить — на днях Лахта Центр стал первым российским небоскребом, получившим наивысший уровень Platinum в международной системе зеленой сертификации LEED.
***
За помощь в подготовке материала спасибо уходит нашим специалистам — Дмитрию Матвееву, руководителю направления по фасадным и металлическим конструкциям и Василию Балакшину, руководителю направления по электрическим системам АО «МФК Лахта Центр»
